E—UTRA中一種多業務兩步比率公平調度算法

陳斌　艾浩軍

【摘要】符合3GPP多業務處理原則的子信道調度方案是影響E-UTRA系統性能的關鍵技術。為減少填充和提高多用戶分集效應，提出了一種多業務兩步比率公平調度算法。在不區分用戶業務優先級的情況下，先采用實際緩存量替代傳統比率公平算法中的傳輸速率來分配子信道；業務優先級高的未分配用戶再按比率公平算法確認的優先權重從低到高來擠占業務優先級低的用戶所分配的子信道，從而確保符合3GPP提出的服務完高優先級業務后再服務低優先級業務的多業務處理原則。仿真結果表明，該算法能在保證用戶公平的基礎上提高系統吞吐量。

【關鍵詞】子信道調度 多業務 E-UTRA

中圖分類號：TN92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-1010（2014）-16-

[Abstract]Sub-channel scheduling scheme satisfying the principle of multi-service operation in 3GPP is the key technology for E-UTRA. A multi-service two-step proportional fair （PF） scheduling scheme is proposed for reducing padding probability and increasing multi-user/service diversity. In the first step， the actual buffered data size is utilized to allocate sub-channels instead of the achievable data rate by the conventional PF algorithm. Service priority is not considered in this step. In the second step， the users in high service priority without enough resource allocation during the first step will occupy the resources assigned to the low prioritized user from low scheduling priority to high scheduling priority value computed by PF algorithm， which meets the principle of multi-service operation proposed by 3GPP. The simulation results demonstrate that the proposed scheme can increase throughput while maintaining the fairness among users.

[Key words]sub-channel scheduling scheme multi-service E-UTRA

1 引言

E-UTRA（Evolved Universal Terrestrial Radio Access）[1]系統由于采用了正交頻分復用接入（OFDMA）、多天線（MIMO）、自適應調制編碼（AMC）、多業務調度等多項先進技術，具備了更高的傳輸速率，已成為當今最主流的一種第四代移動通信系統。其中，多業務調度算法是保證用戶公平性和提高系統吞吐量的關鍵技術；RR（Round Robin，輪循）[2]算法雖然吞吐量較低，但實現簡單、公平性好，得到較多應用；PF（Proportional Fair，比率公平）[3]算法綜合考慮了吞吐量和公平性，總體性能最優，已成為一個無線分組調度的基準算法。文獻[4]、[5]和[6]在公平性、QoS、多業務等方面對傳統PF算法進行了改進，但在實際使用的E-UTRA系統中，調度單位是子信道而不是子載波，并且必須嚴格符合3GPP規定的按業務優先級來進行信道分配的多業務處理原則，即服務完高優先級業務后再服務低優先級業務[7]。以上算法并未完全滿足這些要求，容易造成不必要的填充，影響系統性能。

2 兩步比率公平調度算法

針對上述問題，本文提出一種符合3GPP多業務處理原則的兩步比率公平子信道調度算法。首先，在不區分用戶業務優先級的情況下，采用實際緩存量替代傳統比率公平算法中的傳輸速率來分配子信道；其次，業務優先級高的未分配用戶再按比率公平算法確認的優先權重從低到高來擠占業務優先級低的用戶所分配的子信道。該算法基于通信實際緩存量，既嚴格遵守了3GPP多業務處理原則，又避免了高業務優先級低緩存量用戶（如VoIP用戶）占用最好信道時產生的大量無效填充，提高了系統吞吐量，同時還提高了用戶公平性。

本算法的具體實施步驟如圖1所示：

步驟1：改進的比率公平調度算法

在不區分用戶業務優先級的情況下，采用實際緩存量替代子信道傳輸速率來改進傳統的比率公平調度算法。當子信道速率小于或等于用戶實際緩存量時，優先級計算公式的分子仍為子信道速率；而當子信道速率大于用戶實際緩存量時，則優先級計算公式的分子改為用戶實際緩存量。

各調度用戶的權重優先級計算公式如下：

步驟2：業務優先級高的用戶擠占業務優先級低的用戶

按用戶業務優先級從高到低檢查步驟1的子信道調度結果是否符合3GPP規定的多業務處理原則，即是否在業務優先級低的用戶得到信道的時候，業務優先級高的用戶未能得到信道。如果出現這種情況，則未能分配到信道的業務優先級高的用戶根據步驟1得到的權重優先級從低到高擠占業務優先級較低的用戶。重復該步驟，直到完全符合3GPP規定的多業務處理原則。endprint

3 系統仿真

目前E-UTRA系統為了嚴格符合3GPP規定的多業務處理原則，是按照業務優先級來進行分層調度。如E-UTRA系統中最常見的兩類業務VoIP和FTP同時出現時，是先調度完業務優先級高的VoIP用戶，再對FTP用戶進行調度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區宏場景來進行仿真。小區半徑1 500m，小區內均勻分布30個用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業務。比較對象為本文提出的算法及E-UTRA系統中常用的兩種調度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調度算法主要考察指標為系統吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業務優先級高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進行比較。假設總用戶數為30個不變，VoIP和FTP用戶數則可變，VoIP用戶為1—9，而相應的FTP用戶數則是29—21。如圖2所示，當橫坐標VoIP用戶數為1時，自動代表FTP用戶數是29；當VoIP用戶數為6時，表示此時FTP用戶數是24。圖3橫坐標也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統中現用的兩種調度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調度方法都是由VoIP用戶先進行調度，數據量較小的VoIP用戶先占據了最好的子信道，浪費了信道容量，產生了較多的填充，并導致數據量較大的FTP只能占據較差的子信道，從而影響了系統整體吞吐量。而本文提出的調度方案VoIP用戶并不是占據最好的子信道，只是占用了跟其數據量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數據量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應，減少了填充概率，從而提高了系統整體吞吐量。對于FTP用戶，三種調度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調度方法由于VoIP用戶占據了較差的信道，FTP用戶所能分配的信道間差異相對減小，所以信道條件相對平均，用戶公平性也較好。

4 結束語

本文提出了一種符合3GPP多業務處理原則的兩步比率公平調度算法。與E-UTRA系統中現有多業務調度算法相比，該調度算法基于用戶實際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應，提高了系統整體吞吐量和用戶公平性。

參考文獻：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艷，李方偉，韓瑋. LTE系統調度技術[J]. 移動通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陳磊，盧軍，印翀. LTE基于QoS業務的比例公平調度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 張春英，欒曉明. 改進的正比公平調度算法[J]. 信息技術， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡介

陳斌：高級工程師，中科院微系統與信息技術所博士后，現任職于湖北省國土資源廳信息中心，主要研究方向為移動通信和國土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現任職于武漢大學計算機學院，主要研究方向為物聯網應用系統。endprint

3 系統仿真

目前E-UTRA系統為了嚴格符合3GPP規定的多業務處理原則，是按照業務優先級來進行分層調度。如E-UTRA系統中最常見的兩類業務VoIP和FTP同時出現時，是先調度完業務優先級高的VoIP用戶，再對FTP用戶進行調度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區宏場景來進行仿真。小區半徑1 500m，小區內均勻分布30個用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業務。比較對象為本文提出的算法及E-UTRA系統中常用的兩種調度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調度算法主要考察指標為系統吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業務優先級高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進行比較。假設總用戶數為30個不變，VoIP和FTP用戶數則可變，VoIP用戶為1—9，而相應的FTP用戶數則是29—21。如圖2所示，當橫坐標VoIP用戶數為1時，自動代表FTP用戶數是29；當VoIP用戶數為6時，表示此時FTP用戶數是24。圖3橫坐標也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統中現用的兩種調度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調度方法都是由VoIP用戶先進行調度，數據量較小的VoIP用戶先占據了最好的子信道，浪費了信道容量，產生了較多的填充，并導致數據量較大的FTP只能占據較差的子信道，從而影響了系統整體吞吐量。而本文提出的調度方案VoIP用戶并不是占據最好的子信道，只是占用了跟其數據量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數據量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應，減少了填充概率，從而提高了系統整體吞吐量。對于FTP用戶，三種調度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調度方法由于VoIP用戶占據了較差的信道，FTP用戶所能分配的信道間差異相對減小，所以信道條件相對平均，用戶公平性也較好。

4 結束語

本文提出了一種符合3GPP多業務處理原則的兩步比率公平調度算法。與E-UTRA系統中現有多業務調度算法相比，該調度算法基于用戶實際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應，提高了系統整體吞吐量和用戶公平性。

參考文獻：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艷，李方偉，韓瑋. LTE系統調度技術[J]. 移動通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陳磊，盧軍，印翀. LTE基于QoS業務的比例公平調度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 張春英，欒曉明. 改進的正比公平調度算法[J]. 信息技術， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡介

陳斌：高級工程師，中科院微系統與信息技術所博士后，現任職于湖北省國土資源廳信息中心，主要研究方向為移動通信和國土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現任職于武漢大學計算機學院，主要研究方向為物聯網應用系統。endprint

3 系統仿真

目前E-UTRA系統為了嚴格符合3GPP規定的多業務處理原則，是按照業務優先級來進行分層調度。如E-UTRA系統中最常見的兩類業務VoIP和FTP同時出現時，是先調度完業務優先級高的VoIP用戶，再對FTP用戶進行調度。

筆者選取3GPP SCM中定義的一種典型郊區宏場景來進行仿真。小區半徑1 500m，小區內均勻分布30個用戶，用戶分為VoIP和FTP兩種業務。比較對象為本文提出的算法及E-UTRA系統中常用的兩種調度算法RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）[7-8]。仿真條件具體如表1所示：

調度算法主要考察指標為系統吞吐量和用戶公平性。由于VoIP用戶業務優先級高，必須全部能得到信道分配，所以公平性只在FTP用戶間進行比較。假設總用戶數為30個不變，VoIP和FTP用戶數則可變，VoIP用戶為1—9，而相應的FTP用戶數則是29—21。如圖2所示，當橫坐標VoIP用戶數為1時，自動代表FTP用戶數是29；當VoIP用戶數為6時，表示此時FTP用戶數是24。圖3橫坐標也同理。從圖2和圖3可以看出，本文提出的算法無論在系統吞吐量還是在用戶公平性上都比E-UTRA系統中現用的兩種調度算法要好。

由于RR（VoIP）+PF（FTP）和PF（VoIP）+PF（FTP）調度方法都是由VoIP用戶先進行調度，數據量較小的VoIP用戶先占據了最好的子信道，浪費了信道容量，產生了較多的填充，并導致數據量較大的FTP只能占據較差的子信道，從而影響了系統整體吞吐量。而本文提出的調度方案VoIP用戶并不是占據最好的子信道，只是占用了跟其數據量相匹配的較差子信道，而把好的容量大的信道分配給數據量大的FTP用戶，這樣提高了多用戶分集效應，減少了填充概率，從而提高了系統整體吞吐量。對于FTP用戶，三種調度方法都是PF算法，而PF算法是信道條件越平均用戶公平性就越好。本文提出的調度方法由于VoIP用戶占據了較差的信道，FTP用戶所能分配的信道間差異相對減小，所以信道條件相對平均，用戶公平性也較好。

4 結束語

本文提出了一種符合3GPP多業務處理原則的兩步比率公平調度算法。與E-UTRA系統中現有多業務調度算法相比，該調度算法基于用戶實際緩存量，減少了填充概率，并充分利用多用戶分集效應，提高了系統整體吞吐量和用戶公平性。

參考文獻：

[1] 3GPP TR 25.913. Requirements for Evolved UTRA and UTRAN[S]. 2005.

[2] 周艷，李方偉，韓瑋. LTE系統調度技術[J]. 移動通信， 2008（23）： 39-41.

[3] Holtzman J M. CDMA Forward Link Waterfilling Power Control[C]. Vehicular Technology Conference， 2000： 1663-1667.

[4] Shin S， Ryu B H. Packet Loss Fair Scheduling Scheme for Real-Time Traffic in OFDMA Systems[J]. ETRI Journal， 2004，26（5）： 391-396.

[5] 陳磊，盧軍，印翀. LTE基于QoS業務的比例公平調度算法研究[J]. 光通信研究， 2012（5）： 64-67.

[6] 張春英，欒曉明. 改進的正比公平調度算法[J]. 信息技術， 2011（8）： 67-72.

[7] 3GPP TS 25.321. Medium Access Control （MAC） Protocol Specification[S]. 2005.

[8] IEEE Std 802.16-2004 （Revision of IEEE Std 802.16-2001）. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16： Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems[S]. 2004.

作者簡介

陳斌：高級工程師，中科院微系統與信息技術所博士后，現任職于湖北省國土資源廳信息中心，主要研究方向為移動通信和國土資源信息化。

艾浩軍：副教授，現任職于武漢大學計算機學院，主要研究方向為物聯網應用系統。endprint